智能变电站合并单元额定延时现场测试方法

智能变电站合并单元额定延时现场测试方法
赵斌超;王军;张婉婕;黄秉青;张国辉
【摘要】简述智能变电站合并单元额定延时的产生,在对现有额定延时测试方法进行分析基础上,提出一种现场实用的合并单元额定延时测试方法,该方法利用常规继电保护测试仪和故障录波器即可完成测试,在山东电网合并单元反措实施中得到应用,达到了预期效果.
【期刊名称】《山东电力技术》
【年(卷),期】2017(044)008
【总页数】4页(P28-31)
【关键词】合并单元;额定延时;采样同步;测试方法
【作者】赵斌超;王军;张婉婕;黄秉青;张国辉
【作者单位】国网山东省电力公司电力科学研究院,山东济南 250003;国网山东省电力公司电力科学研究院,山东济南 250003;国网山东省电力公司电力科学研究院,山东济南 250003;国网山东省电力公司电力科学研究院,山东济南 250003;国网山东省电力公司电力科学研究院,山东济南 250003
【正文语种】中文
【中图分类】TM76
智能电网承载并推动第三次工业革命［1］，作为智能电网发展的重要基础，智能变电站包括智能化一次设备和网络化二次设备，按过程层、间隔层、站控层3层结构体系分层构建［2］，合并单元作为变电站过程层重要设备，在一定程度上实
现了过程层数据的共享和数字化，并为间隔层、站控层设备提供数据来源，在整个变电站中占有十分重要的地位［3］。

然而，随着合并单元的大规模应用，由合并单元缺陷导致的电网异常事件数呈现大幅增加。

据统计，在220 kV电压等级智能变电站中，合并单元缺陷率曾一度占智能站保护装置及相关设备故障率的50%以上［4］。

在合并单元的缺陷中，合并单元额定延时设置错误往往会引起保护装置不正确动作，造成严重后果，近年国网公司通报的某500 kV智能变电站多套差动保护误动事件就是由于合并单元额定延时设置不一致造成的。

对合并单元额定延时的相关问题进行研究，首先对合并单元额定延时的产生进行阐述，分析目前合并单元额定延时测试采用的主要方法，在此基础上，提出一种基于常规继电保护测试仪和故障录波器的测试方法，介绍该方法在山东电网合并单元反措执行中的应用情况。

传统变电站采用电磁式互感器采样方式，互感器输出的模拟量通过电缆直接传输到间隔层，模拟量传输接近光速［5］，传输延时固定且数值很小，对全站采样数据同步性的影响可以忽略。

而智能变电站目前普遍采用的“电磁式互感器+模拟量输入式合并单元”的采样方式，互感器输出的模拟量需经过合并单元A/D转换、同步处理等环节，然后通过点对点模式或组网模式传输到间隔层。

合并单元对采样数据的处理环节造成了数据传输的延时，不仅使单路采样值产生相位误差，还会造成多路采样数据传输时序的不同步，从而影响全站采样数据的同步［6］。

针对这一问题，各厂家普遍采用的解决方法是在计算合并单元内部的固有延时后，通过同步法或插值法［7］，在其报文传输时加上一定可调延时，利用该延时补足至与其他信号相同的延时时间以保证采样数据同步［8］。

例如，n路信号传输至同一终端设备处时所需延时分别为 t1、t2、…、tn，其中 tm最大，则其他信号则在相应的合并单元处增加一可调延时，使得：
将一次电流或电压被测量的时刻到数字量信号开始发送时刻的固定延时总称为合并单元额定延时。

这样在工程应用中，将额定延时作为特定参数提供给间隔层装置，就能实现采样数据的延时补偿，保证多路采样数据的同步。

合并单元额定延时是影响变电站就地化采样同步的关键因素，对继电保护的影响主要表现在3个方面：一是间隔内电流电压同步性，会影响保护距离计算/方向判别等功能使用；二是变电站内跨间隔电流电压同步性，会影响变压器和母线差动保护的电压闭锁及差流判别功能；三是变电站间电流电压同步性，会影响线路纵联差动保护差流判别功能［9］。

采样同步问题成为合并单元与间隔层通信的最大问题，由于额定延时包含了可调延时，需要采取可靠测试手段进行测试。

合并单元额定延时的测量方法主要有直接法和间接法。

直接法测量合并单元额定延时测试系统如图1所示，利用时钟源输出同步信号将
被测合并单元和测试仪进行对时，合并单元的每个采样点输入时刻，可用外部同步信号进行标识，测试仪测出该信号的SV报文精确接收时刻，根据合并单元额定延时定义，对比采样信号两个时标即可得出额定延时数值。

工程上为了测试简单，控制测试仪在整秒时刻发送出测试信号，然后解析采样序号为0的SV报文接收时间标识，接收时间中秒以下的数值即为所测试的额定延时。

目前有较多学者对直接法测量合并单元额定延时的方法进行了研究和改进。

文献［10］提出的合并单元额定延时测量系统，包括信号发生器、报文记录单元、时间信号和延时测量单元。

通过延时测量单元计算输入合并单元的第一帧报文与合并单元输出的第一帧报文间的延时，来计算合并单元采样值延时。

文献［11］在对智能变电站合并单元延时特性现场测试仪的设计需求进行分析的
基础上，提出了一种现场测试仪的体系结构，该测试仪电流输出模块利用工频变压器不同负载的变换来模拟产生故障电流，DSP模块能够对采样数据进行处理并显
示测试结果，实现对合并单元暂态情况下额定延时的测试。

文献［12］提出了一种基于B样条插值的小波突变点检测额定延时的方法，该方法对输入输出合并单元信号的采集方法进行了优化，对于稳态周期信号的非整周期延时和整周期延时都可有效测量，并且在含有噪声的情况下，可以抑制噪声对基波的影响，从而实现对额定延时的准确测量。

间接法测量合并单元额定延时测量系统如图2所示，该方法利用录波装置对比经过合并单元传输与不经过合并单元传输的两路信号之间的时间差或相位差来计算合并单元额定延时。

信号输出装置输出的两路测试信号可以是两路模拟量信号也可以是一路模拟量信号一路开关量信号。

文献［13］提出一种合并单元额定延时测试方法及测量系统，测量系统包括信号源输出装置、故障录波装置。

信号源输出装置输出模拟量信号和开关量信号，开关量信号直接接入故障录波装置，模拟量信号经过合并单元后接入故障录波装置。

在故障录波装置记录的波形上以开关量变位为参照点，测量开关量变位时刻到模拟量信号变化时刻之间的延时，该延时即为合并单元的数据转换延时。

对于间接法，在对比经过合并单元传输与不经过合并单元传输的两路波形之间的相位差时，测得的往往是合并单元在稳态下的延时，而忽略了合并单元在暂态情况下的真正延时。

如通过对比两路波形的过零点计算合并单元额定延时时，对额定延时小于20ms（一个周波）的合并单元检测精度能够满足要求，但当合并单元额定延时等于或大于20ms时，此种检测方法检测出额定延时为0或给出的检测结果为小于20ms的数值，不能给出正确结果。

某500 kV智能变电站正是由于合并单元额定延时配置有20ms偏差，导致了区外故障时差动保护采样不同步，产生了持续1周波的差流，最终造成多套差动保护误动的严重后果。

XL-805系列合并单元额定延时检测仪具有首周波检测功能，通过记录波形首周波能直观地判断出合并单元额定延时是否整定为20ms整数倍
［14］。

NT785合并单元系统级测试仪能够实现稳态和暂态情况下对合并单元额定延时的准确测试［15］。

从以上分析中可以看出，直接法虽然接线简单，易于操作，但是测试依赖专门的合并单元额定延时测试仪，测试仪应能通过时间信号进行精确控制，测试仪的对时精度及报文时间标注精度将直接影响测试结果，对其硬件要求高，且合并单元额定延时测试仪价格昂贵，对于新建智能站工程较少的单位，合并单元额定延时测试仪的配置需求不是很高。

间接法可以利用录波装置记录相位差进行测试，降低了对硬件的要求，相比于直接法可节省成本，但是从前面的分析可以看到，传统间接法非常依赖于在录波装置中相位差的计算原理及计算精度，有时不能有效检测出额定延时等于或大于20ms的合并单元延时。

其实，对合并单元额定延时进行测试的目的，就是为了保证采样数据的同步，在对目前直接法和间接法分析的基础上，提出一种基准合并单元同步比对测试法，该方法利用继电保护测试仪和故障录波器就能完成测试。

所述合并单元额定延时测试方法如图3所示，该方法形成的测试系统包括具备模拟量输出功能的常规继电保护测试仪，被测合并单元，基准合并单元，故障录波装置。

其中，基准合并单元为与被测合并单元划分在同一故障录波器上的合并单元，目的是为测试结果提供对比的基准。

测试时，将模拟量信号输出装置输出的两路完全相同的模拟量信号，一路接入被测合并单元，一路接入基准合并单元，并将两个合并单元输出的数字量信号均接入故障录波装置。

控制模拟量信号输出装置输出模拟量信号，从故障录波装置中对比两个合并单元输出的数字量信号波形即可直观地判断出被测合并单元额定延时与基准合并单元额定延时是否相同。

该测试方法不需要专门的合并单元额定延时检测仪，利用常规继电保护测试仪和故障录波装置即可在现场进行测试，在故障录波装置中对比被测合并单元与基准合并
单元输出的数字量信号波形，可排除测试系统装置守时精度对测试结果的影响，测试过程直观，测试结果准确。

某500 kV智能站发生合并单元额定延时错误引起误动后，国调中心发布紧急反措，要求对存在类似问题的合并单元进行核查和整改。

经过合并单元厂家对供货情况进行核查，初步排查出山东电网共8座220 kV智能变电站的17台电压合并单元存在额定延时错误的缺陷，山东电科院在省公司的指示下紧急制定了反措计划，对以上合并单元的缺陷进行现场确认并消缺。

本文提出的同步对比测试法在本次合并单元反措中进行了实际应用。

在某220 kV变电站对型号为PRS-7393-3的电压合并单元额定延时进行测试时，由继电保护测试仪输出的完全相同的两路并联A相电压，其中一路作为1号母线
A相电压接至电压合并单元A相电压输入端子，另一路作为线路间隔同期电压接
至220 kV线路间隔电流合并单元A同期电压输入。

电压合并单元消缺前后故障录波器录波图如图4～5所示，由图4可知，220 kV 1号母线A相电压延迟220 kV线路同期电压1的时间为20ms，正好为一个整周波。

由图5可知，对合并单元进行消缺后，220 kV 1号母线A相电压与220 kV线路
同期电压1之间不存在延时。

介绍合并单元额定延时产生，分析目前合并单元额定延时测试的主要方法，指出直接法虽然接线简单，易于操作，但是对测试仪的对时精度及报文时间标注精度要求高，且对于新建智能站工程较少的单位，合并单元额定延时测试仪的配置需求不是很高。

间接法可以利用故障录波装置完成测试，但非常依赖于在录波装置中相位差的计算原理及计算精度，有时不能保证测量的准确性。

考虑到合并单元额定延时测试目的是为了保证采样数据的同步，本文提出了一种同步比对测试法，在变电站现场利用一个基准合并单元即可完成测试，能够准确判断出被测合并单元与基准合并单元采样延时是否一致。

赵斌超（1987），男，工程师，主要从事电力系统继电保护理论及其应用和发电厂、变电站二次系统调试技术等方向的研究工作。

【相关文献】
［1］刘振亚.智能电网与第三次工业革命［J］.广西电业，2013（12）：84-87.
［2］李瑞生，李燕斌，周逢权.智能变电站功能架构及设计原则［J］.电力系统保护与控制，2010，38（21）：24-27.
［3］宋璇坤，沈江，李敬如，等.新一代智能变电站概念设计［J］.电力建设，2013，34（6）：11-15.
［4］吴爱军.智能变电站合并单元现状及发展方向［J］.科技创新导报，2015（1）：85-86，88. ［5］黄灿，肖驰夫，方毅，等.智能变电站中采样值传输延时的处理［J］.电网技术，2011，35（1）：5-10.
［6］罗彦，段雄英，邹积岩，等.电子式互感器中数字同步和数字通信技术［J］.电力系统自动化，2012，36（9）：77-91.
［7］D JEKIC Z，P ORTILLO L，K EZUNOVIC patibility and interoperability evaluation of all-digital protection systems based on IEC 61850-9-2 communication standard［C］∥Power and Energy Society General Meeting-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the，Century.IEEE，2008：1-5.
［8］王策，郑畅.智能变电站合并单元延时检测技术研究［J］.电工技术，2014（12）：42-43，53.
［9］谢小鹏，邹宇.合并单元采样同步的一种实现方法［J］.贵州电力技术，2012（8）：28-30. ［10］徐瑞林，陈涛，高晋，等.一种合并单元采样值延时测量系统［P］.中国专利：2011205027074，2012-08-15.
［11］倪兆瑞，王延安.智能变电站合并单元延时特性现场测试仪的设计［J］.电力系统保护与控制，2014，42（10）：119-124.
［12］苟怀强，熊觊新，贾林泉，等.基于改进小波突变点检测的合并单元额定延时测试方法研究［J］.陕西电力，2015，43（12）：38-42，61.
［13］吴建坤，陈建民，韩学军，等.合并单元延时测量方法及系统［P］.中国专利：200910053661X，2010-12-29.
［14］郑林彬，黄建钟，黄清乐，等.一种用于合并单元检测的装置［P］.中国专利：2014205196057，2015-03-18.
［15］罗强，汤汉松，周东顶，等.便携式电子式互感器时间特性测试仪［P］.中国专利：201220601086X，2013-04-24.。